010-58202838
轴承知识
HIWIN直线导轨的应用技术
2009-04-08一、概述
直线导轨是1932年法国专利局公布的一项专利。经过几十年的发展，直线导轨已经日趋成为通用的一种支承及传动装置，越来越多被数控机床，数控加工中心，精密电子机械，自动化设备所采用，在工业生产中得到广泛的应用。
直线导轨副一般由导轨、滑块、反向器、滚动体和保持器等组成，它是一种新型的作相对往复直线运动的滚动支承，能以滑块和导轨间的钢球滚动来代替直接的滑动接触，并且滚动体可以借助反向器在滚道和滑块内实现无限循环，具有结构简单、动静摩擦系数小、定位精度高、精度保持性好等优点。
直线导轨又称精密滚动直线导轨副、滑轨、线性导轨、线性滑轨、滚动导轨，用于需要精确控制工作台行走平行度的直线往复运动场合，拥有比直线轴承更高的额定负载，同时可以承担一定的扭矩，可在高负载的情况下实现高精度的直线运动。
直线滚动导轨的作用是用来支撑和引导运动部件，依靠导轨两侧两列或四列滚珠循环滚动带动工作台按给定的方向平稳移动做往复直线运动。
依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。
二,、直线导轨的特点
1、定位精度高，容易获得高度的行走精度
直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。滑块与导轨间的末制单元设计，使得线形导轨可同时承受上下左右等各方向的负荷，专利的回流系统及精简化的结构设计让HIWIN的线性导轨有更平顺且低噪音的运动，特别是球联结器静音技术synchmo-tion线性滑轨。
采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。
3、可实现无间隙轻快地高速运动
直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。
4、可长期维持机床的高精度
对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。
与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变得非常容易了。
5、所有方向都具有高刚性
滚动直线导轨的滑块与导轨间为微间隙或负间隙，因此可以极大提高导轨的整体刚性和运动精度。
6、容许负荷大
滑块和导轨紧密配合成一整体，刚性大，四方向等负荷，因此具有较大的负荷承载能力。
7、维护保养简便
HIWIN创新设计的E2自润模块产品结合可拆换式的概念，使得直线导轨可延长其维护周期。E2自润模组具有节省成本、清洁环保的特色，安装灵活、拆装方便且易于维护，透明油箱设计可随时检视油量，并可选用相应的润滑油。可在特殊环境如粉尘、恶劣天气和用水环境下使用。HIWIN E2自润模组不但可以增进使用者维护上的便利性，而且其模组化的设计更可以让客户直接购买E2自润模组套件安装到滑块上，即可达到润滑零件的功能。
因滚动直线导轨里的钢珠产生弹性变形而吸收安装面误差从而可以降低导轨安装基础面的平整度要求，降低机械加工成本。
线性导轨具有将安装导轨的基础加工及组装时产生的垂直度、平面度、平行度等校直误差平均化后进行吸收的特点。因此采用直线导轨可以大大提高机械设计的效率。
三、直线导轨的合理选用
1、常用结构
按照滚珠在导轨和滑块之间的接触牙型对直线导轨副进行分类，主要有歌德式（Gothic Type）牙型和圆弧式牙型（如图一所示）。
歌德式也称作两列式，圆弧式也称作四列式。由于圆弧式牙型其接触角（垂直于回转轴线的直线与滚珠中心和沟槽接触点连线的夹角）在传动中易变动，产生间隙与侧向力变动，安装容易。而歌德式牙型其接触角能保持不变，刚性也比较稳定。一般而言直线导轨的常用结构以这两种类型为主。两者主要区别如下表所示。
2、 主要性能指标
通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命选用。但由于直线导轨的寿命分散性较大，为了便于选用直线导轨副，必须先清楚以下几个重要概念。
额定寿命：所谓额定寿命是指一批相同的产品，在相同的条件及额定负荷下，有90%未曾发生表面剥离现象而达到的运行距离。直线导轨副使用钢珠作为滚动体的额定寿命，在基本动额定负荷下为50km。
基本动额定负荷（C）: 所谓基本动额定负荷是指一批相同规格的直线导轨副，在负荷方向和大小均等的状态下，经过运行50km后，90%的直线导轨其滚道表面不产生疲劳损坏（剥离或点蚀）时的Z高负荷。基本静额定负荷(Co): 所谓基本静额定负荷是指在负荷方向和大小均等的状态下，在受到Z大应力的接触面处，钢珠与滚道表面的总永久变形量恰为钢珠直径万分之一时的静负荷。
由于在机械加工方面的精度要求愈来愈高，使得对加工机械上的重要零组件直线导轨的精度等级划分也越来越细。精度等级：一般直线导轨副的精度分为普通级、高级、精密级、超精密级和超高精密级五种。主要检测指标一般有三个，一是滑块C面对滑轨A面的平行度，二是滑块D面对滑轨B面的平行度（如图二所示），三是行走平行度，所谓行走平行度是指将直线导轨固定在基准座平面上，使滑块沿行程行走时，导轨与滑块基准面之间的平行度误差。
通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命选用。但由于直线导轨的寿命分散性较大，为了便于选用直线导轨副，必须先清楚以下几个重要概念。
额定寿命：所谓额定寿命是指一批相同的产品，在相同的条件及额定负荷下，有90%未曾发生表面剥离现象而达到的运行距离。直线导轨副使用钢珠作为滚动体的额定寿命，在基本动额定负荷下为50km。
基本动额定负荷（C）: 所谓基本动额定负荷是指一批相同规格的直线导轨副，在负荷方向和大小均等的状态下，经过运行50km后，90%的直线导轨其滚道表面不产生疲劳损坏（剥离或点蚀）时的Z高负荷。基本静额定负荷(Co): 所谓基本静额定负荷是指在负荷方向和大小均等的状态下，在受到Z大应力的接触面处，钢珠与滚道表面的总永久变形量恰为钢珠直径万分之一时的静负荷。
由于在机械加工方面的精度要求愈来愈高，使得对加工机械上的重要零组件直线导轨的精度等级划分也越来越细。精度等级：一般直线导轨副的精度分为普通级、高级、精密级、超精密级和超高精密级五种。主要检测指标一般有三个，一是滑块C面对滑轨A面的平行度，二是滑块D面对滑轨B面的平行度（如图二所示），三是行走平行度，所谓行走平行度是指将直线导轨固定在基准座平面上，使滑块沿行程行走时，导轨与滑块基准面之间的平行度误差。
不同的精度等级对应滑轨的行走平行度误差如下面的图三所示。
预压力：所谓预压力是预先给予钢珠负荷力，利用钢珠与珠道之间负向间隙给予预压，这样能够提高直线导轨的刚性和消除间隙。按照预压力的大小可以分为不同的预压等级。如台湾上银公司（HIWIN）提供六种标准预压，预压力从有间隙到0.13C不等。C值为动额定负荷。详细的预压力数值和应用范围如表一所示。
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3、 直线导轨副的选用
通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力、和预期寿命选用。所谓使用条件主要是指应用何种设备、精度要求、刚性要求、负荷方式、行程、运行速度、使用频率、使用环境等因素。根据条件选择对应的合适产品系列。各个直线导轨的生产厂家都对其产品进行了合适的系列划分。台湾HIWIN公司的直线导轨主要分为HG系列、LG系列、AG系列、MG系列等。具体的选用过程可以参考下面的顺序。
通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力、和预期寿命选用。所谓使用条件主要是指应用何种设备、精度要求、刚性要求、负荷方式、行程、运行速度、使用频率、使用环境等因素。根据条件选择对应的合适产品系列。各个直线导轨的生产厂家都对其产品进行了合适的系列划分。台湾HIWIN公司的直线导轨主要分为HG系列、LG系列、AG系列、MG系列等。具体的选用过程可以参考下面的顺序。
在选用的过程中可以根据计算结果随时返回到前面的步骤进行重新选择和设定。计算滑块Z大负荷时要确认选用的直线导轨静安全系数应该超过推荐表中所列值（见表二）。如果所选用的直线导轨副刚性不足，可以提高预压力，加大选用尺寸或增加滑块数来提高刚性。
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静安全系数定义为静额定负荷与工作负荷的比值。
值得提到的是两列歌德式结构的直线导轨副能承受各个方向的力和力矩，在轻负载或中负载应用场合较多，尤其在侧向力负载较大时。而四列圆弧式结构的直线导轨在重负载或超重负载应用场合较多，圆弧型有吸收装配面误差的能力。但若有冲击负载的情况发生时，宜选用歌德型结构的直线导轨副。产品对使用者而言，讲究的是适用性与可靠性。不论是歌德型结构还是圆弧型结构都有其适用的应用环境。
四、直线导轨在应用中考核的6大要素
1、导向精度
导向精度是指运动构件沿导轨导面运动时其运动轨迹的准确程度。影响导向精度的主要因素有导轨承导面的几何精度、导轨的结构类型、导轨副的接触精度、表面粗糙度、导轨和支承件的刚度、导轨副的油膜厚度及油膜刚度，以及导轨和支承件的热变形等。
直线运动导轨的几何精度一般包括：垂直平面和水平平面内的直线度；两条导轨面间的平行度。导轨几何精度可以用导轨全长上的误差或单位长度上的误差表示。
2、精度保持性
精度保持性是指导轨工作过程中保持原有几何精度的能力。导轨的精度保持性主要取决于导轨的耐磨性极其尺寸稳定性。耐磨性与导轨副的材料匹配、受力、加工精度、润滑方式和防护装置的性能的因素有关，另外，导轨及其支承件内的残余应力也会影响导轨的精度保持性。
3、运动灵敏度和定位精度
运动灵敏度是指运动构件能实现的Z小行程；定位精度是指运动构件能按要求停止在指定位置的能力。运动灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动刚度、运动构件质量等因素有关。
4、运动平稳性
导轨运动平稳性是指导轨在低速运动或微量移动时不出现爬行现象的性能。平稳性与导轨的结构、导轨副材料的匹配、润滑状况、润滑剂性质及导轨运动之传动系统的刚度等因素有关。
5、抗振性与稳定性
抗振性是指导轨副承受受迫振动和冲击的能力，而稳定性是指在给定的运转条件下不出现自激振动的性能。
6、刚度
导轨抵抗受力变形的能力。变形将影响构件之间的相对位置和导向精度，这对于精密机械与仪器尤为重要。导轨变形包括导轨本体变形导轨副接触变形，两者均应考虑。
五、直线导轨的安装
值得提到的是两列歌德式结构的直线导轨副能承受各个方向的力和力矩，在轻负载或中负载应用场合较多，尤其在侧向力负载较大时。而四列圆弧式结构的直线导轨在重负载或超重负载应用场合较多，圆弧型有吸收装配面误差的能力。但若有冲击负载的情况发生时，宜选用歌德型结构的直线导轨副。产品对使用者而言，讲究的是适用性与可靠性。不论是歌德型结构还是圆弧型结构都有其适用的应用环境。
四、直线导轨在应用中考核的6大要素
1、导向精度
导向精度是指运动构件沿导轨导面运动时其运动轨迹的准确程度。影响导向精度的主要因素有导轨承导面的几何精度、导轨的结构类型、导轨副的接触精度、表面粗糙度、导轨和支承件的刚度、导轨副的油膜厚度及油膜刚度，以及导轨和支承件的热变形等。
直线运动导轨的几何精度一般包括：垂直平面和水平平面内的直线度；两条导轨面间的平行度。导轨几何精度可以用导轨全长上的误差或单位长度上的误差表示。
2、精度保持性
精度保持性是指导轨工作过程中保持原有几何精度的能力。导轨的精度保持性主要取决于导轨的耐磨性极其尺寸稳定性。耐磨性与导轨副的材料匹配、受力、加工精度、润滑方式和防护装置的性能的因素有关，另外，导轨及其支承件内的残余应力也会影响导轨的精度保持性。
3、运动灵敏度和定位精度
运动灵敏度是指运动构件能实现的Z小行程；定位精度是指运动构件能按要求停止在指定位置的能力。运动灵敏度和定位精度与导轨类型、摩擦特性、运动速度、传动刚度、运动构件质量等因素有关。
4、运动平稳性
导轨运动平稳性是指导轨在低速运动或微量移动时不出现爬行现象的性能。平稳性与导轨的结构、导轨副材料的匹配、润滑状况、润滑剂性质及导轨运动之传动系统的刚度等因素有关。
5、抗振性与稳定性
抗振性是指导轨副承受受迫振动和冲击的能力，而稳定性是指在给定的运转条件下不出现自激振动的性能。
6、刚度
导轨抵抗受力变形的能力。变形将影响构件之间的相对位置和导向精度，这对于精密机械与仪器尤为重要。导轨变形包括导轨本体变形导轨副接触变形，两者均应考虑。
五、直线导轨的安装
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注意：
（1）、无安装台阶时，将导轨一端固定后，按下图所示方法将表针靠在导轨的基准侧面，以直线块规为基准，自导轨的一端开始读取指针值校准直线度，并依次将导轨固定。
（1）、无安装台阶时，将导轨一端固定后，按下图所示方法将表针靠在导轨的基准侧面，以直线块规为基准，自导轨的一端开始读取指针值校准直线度，并依次将导轨固定。
(2)、接长导轨副的区分：
当使用接长导轨时，我们采用同一套导轨副编同一英文大写字母，连续阿拉伯数字表示连接顺序，对接端头由同一阿拉伯数字相连：
(3)、紧固螺栓时，建议采用恒扭矩扳手并按下表推荐扭矩值进行：单位:N·m
当使用接长导轨时，我们采用同一套导轨副编同一英文大写字母，连续阿拉伯数字表示连接顺序，对接端头由同一阿拉伯数字相连：
(3)、紧固螺栓时，建议采用恒扭矩扳手并按下表推荐扭矩值进行：单位:N·m
(螺钉紧固后，其上部沉孔要求防尘及密封，HIWIN的直线导轨在出产时已配备了相应规格的绿色孔塞)
六，直线导轨的润滑和防尘
1、导轨润滑剂的作用
a. 导轨润滑剂的作用之一是使导轨尽量接近液体摩擦状态下工作，以减小摩擦阻力，降低驱动功率，提高效率。
b. 减少导轨磨损，防止导轨腐蚀。流动的润滑油还起到冲洗作用。
c. 避免低速重载下发生爬行现象，并减少振动。
d. 降低高速时摩擦热，减少热变形。
２、机床导轨润滑油的选择
根据经验及数据，选用机床导轨润滑油时主要考虑下列因素。
a. 既作液压介质又作导轨油的润滑油 根据不同类型的机床导轨的需要，可选同时用作液压介质的导轨润滑油，既要满足导轨的要求，又是满足液压系统的要求。例如对于像坐标镗床之类的机床，导轨油的粘度（50℃）应选择得高些（40～90ｍｍ2／ｓ），但像各类磨床，常常将导轨润滑油由液压系统供给，而液压系统的要求较高，必须满足，此时导轨－液压润滑油的粘度（50℃）应选得低些（20～40ｍｍ2／ｓ），即液压系统所需的粘度。
b. 按滑动速度和平均压力来选择粘度。
c. 根据国内外机床导轨润滑实际应用来选择，在选择使用导轨润滑剂时，还可参考国内外现有机动床导轨润滑实际应用的例子来选用。
3、导轨的防护装置是用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面，以免使导轨擦伤、生锈和过早的磨损。为此，在运动导轨端部安装刮板；采用各种式样的防护罩，使导轨不外露等办法。
七、结束语
HIWIN直线导轨，在机床行业可谓家喻户晓。在国内几大机床及产业机械制造厂所生产的机床和设备中，都使用了HIWIN直线导轨。HIWIN直线导轨是目前市场上Z具代表性的产品，了解HIWIN直线导轨，可以看出当前直线导轨的发展趋势。
HIWIN上银科技通过对机床市场的发展趋势，针对不同应用领域的机床特点，开发研制了几种直线导轨新品。推动机床产业的高速化、高精度化、环保省能源化发展。（天津罗升企业有限公司成都办事处：普世东）
六，直线导轨的润滑和防尘
1、导轨润滑剂的作用
a. 导轨润滑剂的作用之一是使导轨尽量接近液体摩擦状态下工作，以减小摩擦阻力，降低驱动功率，提高效率。
b. 减少导轨磨损，防止导轨腐蚀。流动的润滑油还起到冲洗作用。
c. 避免低速重载下发生爬行现象，并减少振动。
d. 降低高速时摩擦热，减少热变形。
２、机床导轨润滑油的选择
根据经验及数据，选用机床导轨润滑油时主要考虑下列因素。
a. 既作液压介质又作导轨油的润滑油 根据不同类型的机床导轨的需要，可选同时用作液压介质的导轨润滑油，既要满足导轨的要求，又是满足液压系统的要求。例如对于像坐标镗床之类的机床，导轨油的粘度（50℃）应选择得高些（40～90ｍｍ2／ｓ），但像各类磨床，常常将导轨润滑油由液压系统供给，而液压系统的要求较高，必须满足，此时导轨－液压润滑油的粘度（50℃）应选得低些（20～40ｍｍ2／ｓ），即液压系统所需的粘度。
b. 按滑动速度和平均压力来选择粘度。
c. 根据国内外机床导轨润滑实际应用来选择，在选择使用导轨润滑剂时，还可参考国内外现有机动床导轨润滑实际应用的例子来选用。
3、导轨的防护装置是用来防止切削、灰尘等赃物落到导轨表面，以免使导轨擦伤、生锈和过早的磨损。为此，在运动导轨端部安装刮板；采用各种式样的防护罩，使导轨不外露等办法。
七、结束语
HIWIN直线导轨，在机床行业可谓家喻户晓。在国内几大机床及产业机械制造厂所生产的机床和设备中，都使用了HIWIN直线导轨。HIWIN直线导轨是目前市场上Z具代表性的产品，了解HIWIN直线导轨，可以看出当前直线导轨的发展趋势。
HIWIN上银科技通过对机床市场的发展趋势，针对不同应用领域的机床特点，开发研制了几种直线导轨新品。推动机床产业的高速化、高精度化、环保省能源化发展。（天津罗升企业有限公司成都办事处：普世东）